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Verbrennungskraftmaschine mit frei schwingenden Kolben zur Erzeugung
von elektrischer Energie (Schwinggenerator) Gegenstand der Erfindung sind Verbrennungsmotoren
mit frei schwingenden Kolben, bei denen zur Erzeugung von elektrischer Energie,
insbesondere von Gleichstrom, die Kolben mit einer frei schwingenden, zur Änderung
eines Magnetfeldes geeigneten Vorrrichtung gekuppelt sind.
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Es sind Vorschläge bekannt, Freikolben-Verbrennungsmotoren zur Erzeugung
von elektrischer Energie einzusetzen. Ein Freikolben-Stromerzeuger hat gegenüber
einem Aggregat aus Kurbelwellenmotor und Dynamomaschine erhebliche Vorteile: Der
mechanische Aufbau ist sehr einfach, damit sind Herstellungskosten und Verschleiß
niedrig und der mechanische Wirkungsgrad hoch. Durch das Fehlen der mechanischen
Hubbegrenzung wird bei jedem Belastungszustand maximal verdichtet, so daß der thermische
Wirkungsgrad stets optimal liegt. Schließlich ist die sonst ungünstige Eigenschaft
der Freikolbenmaschinen, als schwingende Systeme nur in engen Frequenzbereichen
arbeiten zu können, für das Arbeiten als Stromerzeuger geradezu ideal.
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Trotz dieser Vorteile sind noch keine ausgeführten Freikolben-Stromerzeuger
(im folgenden in Anlehnung an das englische »reciprocating generator« »Schwinggenerator«
genannt) bekanntgeworden, da bisher die Erzeugung von Wechselstrom wegen der sehr
einfachen stromerzeugenden Vorrichtungen angestrebt wurde. Denn eine Freikolbenmaschine
kann zufolge der Bedingung nach ausgeglichener Energiebilanz bei jedem Hub nicht
mit der für die Wechselstromerzeugung notwendigen Frequenzkonstanz betrieben werden.
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Die vorliegende Erfindung hat eine Maßnahme zum Gegenstand, die es
ermöglicht, ohne größeren Aufwand pulsierenden Gleichstrom von Freikolbenmaschinen
erzeugen zu lassen. (Dieser Gleichstrom kann mit einfachen Mitteln geglättet und
bei Bedarf durch einen Zerhacker bekannter Bauart in Wechselstrom oder Drehstrom
umgeformt werden.) Die Maßnahme besteht darin, daß das Erregerfeld des Schwinggenerators
synchron mit der Generatorfrequenz umgepolt wird.. Das erregende Magnetfeld wird
also durch Wechselstrom induziert. Der Erregerwechselstrom kann über Zerhacker dem
Gleichstromkreis entnommen. oder über eigene Spulen getrennnt erzeugt werden.
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Im folgenden werden an Hand der Figuren spezielle Bauarten von Schwinggeneratoren
gezeigt. Die Verbrennungsmotorenkolben können wie bei den bekannten Freikolben-Verdichtern
in einer Achse angeordnet werden.
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Fig. 1 zeigt einen Schwinggenerator mit drei Kolben in koaxialer Bauweise.
(1 Vorverdichtungszylinder, 2 Arbeitszylinder, 3 Arbeitskolben mit eingebautem Erregermagneten,
4 Verdichterkolben, 5 Kupplungsstangen, 6 Zahnräder, 7 feststehender Wicklungsträger,
8 Ansaugventile.) Die Maschine arbeitet im Zweitakt mit vollkommenem Massenausgleich,
zwangssynchronisiert durch Zahnräder und Zahnstangen. Diese Bauart des Schwinggenerators
mit drei koaxialen Kolben gibt einen gewissen konstruktiven Spielraum. Sie erlaubt:
beliebigen Spülluftüberschuß durch entsprechende Dimensionierung der Stufenkolben,
Ausbildung der Toträume zu beiden Seiten der Vorverdichterkolben als Rückwurf-Luftpolster
zur Laufstabilisierung und zur Entlastung der Kupplungsstangen, verschieden großen
Hub von Arbeits- und Vorverdichterkolben., Regelung des Schwinggenerators durch
Änderung des Hubverhältnisses von Arbeits- und Vorverdichterkolbzn, Betrieb des
Verbrennungsmotors mit äußerer oder innerer Gemischbildung mit Selbst- oder Fernzündung,
Synchronisierung durch Hubverbindungen., Kolbenkühlung, wobei die Kühlung des beiderseits
beaufschlagten Arbeitskolbens ausreichen kann.
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Fig. 2 zeigt einen Schwinggenerator mit beidseitig beaufschlagtem
Arbeitskolben und fliegendem Arbeitszylinder, dessen Stirnseiten als Vorverdichterkolben
arbeiten (9 Vorverdichtungszylinder, 10 Arbeitszylinder, il Arbeitskolben mit eingebautem
Erregermagneten, 12 feststehender Wicklungsträger).
Unter Verwendung
von üblichen Zylindern, Kolben und Pleueln können Schwinggeneratoren auch mit parallelen
oder V-förmig geneigten Zylindern gebaut werden. Der Schwinggenerator mit parallelen
Zylindern wird kleiner und kompakter als der mit koaxialen Kolben. Mit den kleineren
Massen können höhere Frequenzen erreicht werden. Andererseits bleiben die Vorteile
der Freikolbenmaschine gegenüber dem Kurbelwellenmotor erhalten: Der mechanisch
nicht begrenzte Kolbenweg, damit maximale Verdichtung unabhängig von der Belastung,
also bester thermischer Wirkungsgrad und von vornherein große Kraftstoffgleichgültigkeit.
Auch im mechanischen Aufwand ergibt sich gegenüber dem Kurbelwellenmotor ein Gewinn.
Die komplizierte Kurbelwelle wird durch gerade Hebel ersetzt, der Kolben wird im
oberen Totpunkt nur durch die Gaskräfte gebremst, so daß die Pleuellager wie bei
extremen Langsamläufern einseitig ausgeführt werden können, die Seitenführungskräfte
der Kolben und damit Reibung und Verschleiß sind wesentlich kleiner als beim Motor
mit Kurbelwelle.
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Der Erregerteil zur Stromerzeugung wird bei den Schwinggeneratoren
mit parallelen Zylindern als Drehschwinger ausgebildet, der mit der Welle des Schwinghebels
schwingt.
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Fig.3 zeigt den Grundaufbau eines Schwinggenerators mit parallelen
Zylindern und einer als Drehschwinger gestalteten Vorrichtung zur Erzeugung von
pulsierendem Gleichstrom (13 Arbeitskolben, 14 Pleuel, 15 Schwinghebel, 16 schwingender
Erregermagnet, 17 feststehender Wicklungsträger).
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Die beiden Arbeitskolben 13 arbeiten in Zweitaktzylindern üblicher
Bauart, etwa mit Umkehrspülung. Die Räume unter den Kolben können als Spülluftpumpen
gestaltet sein. Die Vorrichtung zur Stromerzeugung besteht wie bei den koaxialen
Schwinggeneratoren aus dem feststehenden Wicklungsträger und dem erfindungsgemäß
durch Wechselstrom erregten schwingenden Erregermagneten.
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Fig. 4 zeigt einen Schwinggenerator mit parallelen Kolben, bei dem
zur Vergrößerung der Leistung mehrere parallel arbeitende Kolben zum Antrieb einer
Stromerzeugungsvorrichtung nach Fig.3 zusammengekuppelt sind (18 Arbeitskolben,
19 Pleuel, 20 Schwinghebel, 21 schwingender Erregermagnet, 22 Spulenträger).
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In entsprechender Weise können auch die Kolben von mehreren in Reihe
angeordneten Zylindern auf einen Schwinghebel und eine Stromerzeugungsvorrichtung
arbeiten. Dabei können mehrere Zylinder einen gemeinsamen Verbrennungsraum haben,
woraus sich günstige Spülsysteme ergeben (U-Spülung mit Eirilaß- und Auslaßkolben)
und sich die Vorteile großer Zylinderräume (wenige, größere Kraftstoffeinspritzvorrichtungen)
mit den Vorteilen kleiner Hubräume (kleinere Kolbengeschwindigkeiten, Kolbenkühlung
allein durch Laufbahnkühlung) vereint einstellen.
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Die vorbeschriebenen Schwinggeneratoren können mit innerer und äußerer
Gemischbildung und mit Selbst- wie mit Fremdzündung betrieben werden. Sie können
durch Druckluft angelassen werden oder elektrisch dadurch, daß der Stromerzeuger
als Pendelanlasser geschaltet wird und die Kolben bis zur ersten Zündung aufschaukelt.
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Für alle gezeigten Schwinggeneratorbauformen besteht die Vorrichtung
zur Stromerzeugung vorteilhaft aus einer feststehenden Wicklung, in der ein pulsierender
Gleichstrom durch den mit dem Arbeitskolben schwingenden Erregermagneten induziert
wird, wobei erfindungsgemäß der Erregermagnet durch Wechselstrom gespeist wird.
Der Erregerwechselstrom kann dem bewegten Erregermagneten über Bürsten oder bürstenlos
zugeführt werden.
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Fig. 5 zeigt einen Erregermagneten, der direkt mit dem beidseitig
beaufschlagten Arbeitskolben eines Schwinggenerators mit koaxialen Kolben zusammengebaut
ist, mit Zuführung des Erregerwechselstroms durch Bürsten (23 Arbeitskolben, 24
Erregermagnet, 25 Erregerwicklung, 26 Bürsten und Schienen, 27 feststehender Wicklungsträger,
28 feststehende Wicklung).
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Die Erregerwicklung wird durch Wechselstrom von der Frequenz des Schwinggenerators
gespeist, der durch Zerhacker dem Gleichstromkreis entnommen ist oder durch einen
Stromkreis, bestehend aus bewegtem Permanentmagneten und feststehender Spule, versorgt
wird.
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Fig. 6 zeigt als Beispiel eine bürstenlose Vorrichtung, bei der durch
einen feststehenden Magneten mit permanenter Magnetisierung, der etwa durch den
vom Generator erzeugten Gleichstrom erregt sein kann, direkt in der Spule des schwingenden
Erregermagneten der Erregerwechselstrom induziert wird (29 Arbeitskolben, 30 Erregermagnet,
31 geschlossene Erregerwicklung, 32 feststehender Magnet, 33 feststehender Wicklungsträger,
34 feststehende Wicklung, in der der Gleichstrom induziert wird).
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Entsprechend den in Fig. 5 und 6 für Schwinggeneratoren mit koaxialen
Kolben gezeigten Vorrichtungen werden die Stromerzeugungs-Vorrichtungen für Schwinggeneratoren
mit parallelen Kolben und Drehschwingungen ausführenden Erregermagneten gestaltet.